ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN İNCELENMESİ

T.C.

İSTANBUL AYDIN ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ

AÇISINDAN İNCELENMESİ

YÜSEK LİSANS TEZİ Mesut YENİGÜN

Y1413.080014

Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı Makine Mühendisliği Programı

Tez Danışmanı: Prof. Dr. Zafer UTLU OCAK 2016

iv

YEMİN METNİ

Yüksek Lisans / Doktora tezi olarak sunduğum ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ AÇISINDAN İNCELENMESİ” adlı çalışmanın, tezin proje safhasından sonuçlanmasına kadarki bütün süreçlerde bilimsel ahlak ve geleneklere aykırı düşecek bir yardıma başvurulmaksızın yazıldığını ve yararlandığım eserlerin Bibliyografya’da gösterilenlerden oluştuğunu, bunlara atıf yapılarak yararlanılmış olduğunu belirtir ve onurumla beyan ederim. (…/…/20..)

vi

viii ÖNSÖZ

Temiz çevre bilincinin oluşmasının, petrol rezervlerin hızlı bir şekilde tükenmesinin yanı sıra düşük verimlilikleri ve kötü emisyon değerleri içten yanmalı motorlu araçların sonunu getirmekte ve bununla birlikte bilimi alternatif enerji ile çalışan araçları geliştirmeye sürüklemektedir.

Alternatif enerjili araçların başında elektrikli araçlar gelmektedir. Sessiz çalışmaları yüksek enerji verimlilikleri ve sınırsız enerji kaynağına sahip olmaları sebebi ile geleceğimizin vazgeçilmez taşıtları olacağı görülmektedir.

Fakat sınırlı batarya kapasitesi, uzun şarj süreleri ve düşük batarya ömrü elektrikli araçların yaygınlaşmasındaki en büyük engellerdendir. Bunun yanı sıra yüksek sıcaklılar batarya ömrünü olumsuz etkilemektedir. Tüm bu olumsuzluklar elektrikli araçlarda bataryanın ve batarya soğutma sisteminin gelişmesini tetiklemektedir. Bu tez kapsamında elektrikli araç batarya sorunlarına değinilerek batarya termal yönetim sistemleri araştırılarak literatür taraması yapıldı. Klima sistemine entegre bataryaya soğutma sisteminin enerji ve ekserji verimliliğini ifade eden denklemler verildi. Ford markasının Focus Electric adlı modeline ait batarya soğutma sistemi açıklanarak ekserji ve enerji analizleri yapıldı. Mevcut batarya soğutma sistemleri değerlendirildi ve birbirlerine olan üstünlükleri ekler bölümünde verildi.

Bu tez çalışmamda beni yönlendiren, yardımcı olan bilgilerini benden esirgemeyen değerli hocam, Prof. Dr. Sayın Zafer UTLU’ya ve hayatımın her anında yanımda olan aileme teşekkür eder, saygılarımı sunarım.

Ocak 2016 Mesut Yenigün

x İÇİNDEKİLER SAYFA ÖNSÖZ ... Vİİİ İÇİNDEKİLER ... X KISALTMALAR VE SEMBOLLER ... XİV ÇİZELGE LİSTESİ ... XVİ ŞEKİL LİSTESİ ... XVİİİ ÖZET ... XX ABSTRACT ... XXİİ 1 GİRİŞ ... 1 1.1 Literatür Taraması ... 2 1.2 Elektrikli Araçlar ... 6

1.2.1 Elektrikli araçların tarihsel gelişimi ... 6

1.2.2 Elektrikli araçların çalışma prensibi ... 7

1.2.3 Elektrikli araçların avantaj ve dezavantajları ... 8

1.2.4 Elektrikli araçların geleceği ... 8

1.3 Tezin Amacı ... 10

2 ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİ 11 2.1 Elektrikli Araçlarda SoğutmaSisteminin Gerekliliği ... 11

2.2 Elektrikli Araçlarda Yaygın Olarak KullanılanSoğutma Sistemler ... 12

2.2.1 Hava soğutmalı ve ısıtmalı ... 12

2.2.2 Sıvı soğutmalı ve ısıtmalı ... 13

2.2.3 Direkt soğutmalı soğutma ve ısıtma ... 14

2.2.4 Kombine sıvı soğutmalı sistem ( KSSS) ... 15

2.2.5 Faz değişim materyali (FDM) ... 15

2.2.6 Termo-Elektrik modül ... 16

2.2.7 Isı borulu soğutma sistemi ... 17

2.2.8 Isı emicili pasif soğutma ... 18

2.2.9 Isı pompalı soğutma sistemi ... 18

2.2.10 Evaporatif soğutma sistemi ... 19

2.3 SoğutmaTeknolojilerin Değerlendrilmesi ... 20

2.3.1 Zorlamalı hava sistemi ... 20

2.3.2 Sıvı soğutmalı sistem ... 21

2.3.3 Faz Değişim materyali (FDM) sistemi ... 21

2.3.4 Termo-Elektrik ... 22

3 KLİMA KONTROL SİSTEMİ ... 23

3.1 SoğutmaSistem Modeli ... 23

3.2 IsıYükü Modeli ... 24

3.3 Batarya Termal Yönetim Sistem (BTYS)Modeli ... 26

3.3.1 Isı üretim modeli ... 26

3.3.2 Isı transfer modeli ... 26

xi

3.4 KlimaKontrol Sistemi Kontrol Stratejisi ... 30

4 ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ ... 31

4.1 Enerji Analizi (Birinci Kanun) ... 31

4.2 Ekserji Analizi (İkinci Kanun) ... 32

4.2.1 Ekserji terimleri ... 33

4.2.2 Ekserjiye sebep olan faktörler ... 35

4.2.2.2 Isı transferine bağlı ekserji ... 35

4.2.2.3 Maddenin kararlı akışına bağlı ekserji ... 36

4.2.3 Ekserjinin bileşenleri ... 36 4.2.2.4 Kinetik ekserji ... 37 4.2.2.5 Potansiyel ekserji ... 37 4.2.2.6 Fiziksel ekserji ... 37 4.2.2.7 Kimyasal ekserji ... 38 4.2.2.8 Ekserjitik verim ... 39

4.2.4 Kapalı sistemler için ekserji analizi ... 39

5 BATARYA TERMAL YÖNETİM SİSTEMİ TERMODİNAMİK ANALİZLERİ ... 43

5.1 KabinSoğutma Çevrimi Enerji Analizi ... 44

5.1.1 Kompresör enerji analizi ... 44

5.1.2 Kondenser enerji analizi ... 44

5.1.3 Evaporatör genleşme valfi enerji analizi... 45

5.1.4 Evaporatör enerji analizi ... 45

5.2 BataryaSoğutma Çevrimi Enerji Analizi ... 45

5.2.1 Chiller genleşme valfi enerji analizi ... 46

5.2.2 Chiller enerji analizi ... 46

5.2.3 Sirkülasyon pompası enerji analizi ... 47

5.2.4 Batarya paketi enerji analizi ... 47

5.3 Kabin Soğutma Çevrimi Ekserji Analizi ... 48

5.3.1 Kompresör ekserji analizi ... 48

5.3.2 Kondenser ekserji analizi ... 49

5.3.3 Evaporatör genleşme valfi ekserji analizi ... 49

5.3.4 Evaporatör ekserji analizi ... 50

5.4 Batarya Soğutma Çevrimi Ekserji Analizi ... 51

5.4.1 Chiller genleşme valfi ekserji analizi ... 51

5.4.2 Chiller ekserji analizi ... 51

5.4.3 Sirkülasyon pompası ekserji analizi ... 52

5.4.4 Batarya paketi ekserji analizi ... 53

5.5 SoğutmaPerformans Katsayısı (COP) ... 53

5.6 İkinci YasaVerimi ... 53

6 ELEKTRİKLİ ARACA AİT TERMODİNAMİK ANALİZLER ... 55

6.1 Focus Elektrikli Araç Soğutma Sistemi ... 55

6.1.1 Motor elektronik soğutma sistemi çevrimi (MECS) ... 56

6.1.2 Pozitif sıcaklık katsayılı ısıtıcı çevrimi (PTC Heater) ... 57

6.1.3 HVBP ve BCCM soğutma çevrimi ... 58

6.2 Focus Elektrikli Araç Klima Sistemi ... 58

6.3 Focus Elektrikli Araç Termodinamik Sistem Tanımı ve Analizler ... 59

6.3.1 Focus elektrikli araç termodinamik sistem tanımı ... 59

6.3.2 Focus elektrikli araç analizleri ... 61

xii

7 SONUÇ VE ÖNERİLER ... 71

KAYNAKLAR ... 73

EKLER ... 77

xiv KISALTMALAR VE SEMBOLLER SEMBOLLER

Q : Toplam Isıl enerji (kW) Et : Toplam ekserji (kW)

EQ : Isı transferine bağlı ekserji (kW) EW : İş transferine bağlı ekserji (kW) Ek : Kinetik ekserji (kW)

Ep : Potansiyel ekserji (kW) Ef : Fiziksel ekserji (kW) Ekim : Kimysal Ekserji (kW)

I : Tersinmezlik, yok edilen ekserji (kW) It : Toplam tersinmezlik (kW)

h : Özgül entalpi (kJ/kg) u : Özgül iç enerji (kJ/kg) s : Özgül entropi (kJ/kg.K) q : Isı miktarı(W, kW)

g : Yer çekimi ivmesi (m/s^2)

z : Deniz seviyesine olan yükseklik (m) Süretim : Üretilen entropi (kJ/kg.K)

ṁ : Kütlesel debi (kg/sn) °C : Santigrad derece T : Sıcaklık (°C, K) To : Çevre sıcaklığı (°C, K) P : Basınç (bar, Pa)

po : Çevre basıncı (bar, Pa) W : İş (W, kW)

V : Akışkanın hızı (m/s) Wtr : Tersinir iş (W, kW) Wy : Yararlı iş (W, kW)

Φ : Toplam kapalı sistem kullanılabilirliği (kJ) KISALTMALAR

BCCM : Batarya Şarj Kontrol Modülü BECM : Batarya Elektronik Kontrol Modülü BSS : Batarya Soğutma Sistemi

BTYS : Batarya Termal Yönetim Sistemi C : Batarya Şarj/Deşarj Derinliği Oranı CFD : Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği COP : Soğutma Etkinlik Katsayısı

EA : Elektrikli Araç

E.D.D. : Enerji Denge Denklemi Eks. D.D. : Ekserji Denge Denklemi

xv Ent. D.D. : Entropi Denge Denklemi HVBP : Yüksek Voltaj Batarya Paketi FDM : Faz Değişim Materyali

K : Kelvin

K.K. : Kütlenin Korunumu KKS : Klima Kontrol Sistemi

KSSS : Kombine Sıvı Soğutmalı Sistem

KW : Kilo Watt

MECS : Motor Elektronik Soğutma Sistemi PTC : Pozitif Sıcaklık Katsayı

TYS : Termal Yönetim Sistemi TXV : Termostatik Genişleme Valfi

xvi ÇİZELGE LİSTESİ

SAYFA

Çizelge2.1 Aynı kütlesel debide ki ( 50g/s) soğutkanların hacimsel debisi ve

ısı transfer katsayıları...21

Çizelge2.2 FDM’ye ait termal karakteristik...22

Çizelge3.1 Hücre paketi içerisinde ki çapraz akıma ait sabit denklem...28

Çizelge3.2 Denklem (3.13) 𝑵𝑳<20 için düzeltme faktörü...29

Çizelge6.1 Ford Focus elektrikli araç özellikleri………...61

Çizelge 6.2 Elektrikli araç termal yönetim sistemi giriş parametreleri………..61

Çizelge6.3 Elektrikli araç termal yönetim sistemİ Termodinamik eşitlikler………62

xvii

xviii ŞEKİL LİSTESİ

SAYFA

Şekil 1. 1: Stephen Anyos JEDLIK’in Yaptığı İlk Elektrik Motoru 1827 [14]. ... 6

Şekil 1. 2 : İlk Elektrikli Model Araç 1828 [15]. ... 7

Şekil 1. 3 : Elektrikli Araç Şeması ... 8

Şekil 1. 4 : Akıllı Garaj Ara yüzü [17]. ... 9

Şekil 1. 5 : Elektrikli Araç Batarya Fiyat Tahminleri [20]. ... 9

Şekil 2. 1 : Lityum-İyon Batarya Ömür Sıcaklık Grafiği [26]. ... 12

Şekil 2. 2 : Sıcaklık Batarya Gücü Grafiği [27]. ... 12

Şekil 2. 3 : Zorlamalı Hava Sistemi (Aktif / Pasif) ... 13

Şekil 2. 4 : Isı Geri Kazanımlı Zorlamalı Hava Sistemi ... 13

Şekil 2. 5 : Pasif Sıvı Soğutma Sistemi ... 14

Şekil 2. 6 : Aktif Sıvı Soğutma Sistemi ... 14

Şekil 2. 7 : Direkt Soğutmalı Soğutma Sistemi ... 15

Şekil 2. 8 : Kombine Sıvı Soğutmalı Sistemi ... 15

Şekil 2. 9 : FDM’nin Batarya Sıcaklığına Etkisi [30]. ... 16

Şekil 2. 10 : FDM ile KSSS Entegre Soğutma Sistemi ... 16

Şekil 2. 11 : Termo-Elektrik Soğutma/Isıtma Sistemi [31]. ... 17

Şekil 2. 12 : Isı Borusu Yapısı [32]. ... 17

Şekil 2. 13 : Isı Borulu Soğutma Sistemi Şeması [34]. ... 18

Şekil 2. 14 : Isı Emicisi Soğutma Taslağı [36]. ... 18

Şekil 2. 15 : Klima İle Birleşik Isı Pompası Sistemi [11]. ... 19

Şekil 2. 16 : Evaporatif Soğutma Sistemi [37]. ... 20

Şekil 3. 1 : Elektrikli Araç Klima Kontrol Sistemi [38]. ... 23

Şekil 3. 2 : Kabin İçerisine Aktarılan Isı Balansı [38]. ... 25

Şekil 3. 3 : Batarya Paket Şeması. ... 27

Şekil 3. 4 : Batarya Dizesi Kademeli Soğutucu Akışı [38]. ... 27

Şekil 3. 5 : (3.15) Denklemi İçin Sürtünme Faktörü f Ve Düzeltme Faktörü X [43]. 30 Şekil 4. 1 : Sistem Sınırından Girip Çıkan Madde Akışının Ekserji Bileşenleri ... 36

Şekil 5. 1 : Elektrikli Araç Batarya Termal Yönetim Sistemi[12]... 43

Şekil 5. 2 : Kompresör Kontrol Hacmi ... 44

Şekil 5. 3 : Kondenser Kontrol Hacmi ... 44

Şekil 5. 4 : Evaporatör Genleşme Valfi Kontrol Hacmi ... 45

Şekil 5. 5 : Evaporatör Kontrol Hacmi ... 45

Şekil 5. 6 : Chiller Genleşme Valfi Kontrol Hacmi ... 46

Şekil 5. 7 : Chiller Kontrol Hacmi ... 46

Şekil 5. 8 : Sirkülasyon Pompası Kontrol Hacmi ... 47

Şekil 5. 9 : Batarya Paketi Kontrol Hacmi ... 47

Şekil 6. 1 : Focus Elektrikli Araç Ekipmanları [53]. ... 55

Şekil 6. 2 : Focus Elektrikli Araç Soğutma Çevrimi [53]. ... 56

Şekil 6. 3 : Focus Elektrikli Araç MESC Çevrimi [53]. ... 57

xix

Şekil 6. 5 : Focus Elektrikli Araç HVBP Ve BCCM Soğutma Çevrimi [53]. ... 58

Şekil 6. 6 : Focus Elektrikli Araç Klima Sistemi [53]. ... 59

Şekil 6. 7 : Soğutma çevrimi P-h(a) ve T-s(b) diyagramı. ... 65

Şekil 6. 8 : Batarya soğutma çevrimi P-h(a) ve T-s(b) diyagramı. ... 66

Şekil 6. 9 : Soğutma çevrimi bileşen giriş çıkış değerleri ... 66

Şekil 6. 10 :Soğutma sisteminin bileşenlerine ait enerji verim grafiği ... 67

Şekil 6. 11 : Soğutma sistemi enerji (Sankey) akış diyagramı ... 67

Şekil 6. 12 : Soğutma sisteminin bileşenlerine ait ekserji verim grafiği ... 67

Şekil 6. 13 : Soğutma çevrimi bileşenleri ve soğutma sistemine ait ekserji yıkımı .. 68

Şekil 6. 14 : Soğutma sistemi ekserji (Grossman) akış diyagramı ... 68

Şekil 6. 15 : Soğutma sistemine ait soğutma etkinlik katsayıları (ekserjitik, enerjitik, Carnot) ... 68

xx

ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN ENERJİ VE EKSERJİ VERİMLİLİĞİ

AÇISINDAN İNCELENMESİ ÖZET

Günümüzde elektrikli araçların kullanımı ile birlikte batarya teknolojisi de gelişmektedir. Şüphesiz ki bataryalar elektrikli araç performansını doğrudan etkilemektedir. Batarya kapasitesini arttırma ve batarya ağırlığını hafifletme çabalarının yanı sıra bataryayı şarj-deşarj sırasında optimum sıcaklık değeri aralığında tutmak için soğutma sistemleri geliştirilmektedir. Elektrikli araçlarda batarya termal yönetim sistemi için bir soğutma sistemi tasarlanabileceği gibi klima sistemine adapte bir batarya soğutma sistemi de geliştirilebilir.

Bu tez de, klima sistemine entegre batarya soğutma sisteminin enerji ve ekserji verimliliğini ifade eden denklemler verildi. Ford markasının Focus Electric adlı modeline ait batarya soğutma sistemi açıklanarak ekserji ve enerji analizleri yapıldı. Mevcut batarya soğutma sistemleri değerlendirildi ve bir birlerine olan üstünlükleri ekler bölümünde verildi.

Anahtar Kelimeler: Batarya Termal Yönetim Sistemi, Elektrikli Araç, Ekserji,

xxii

INVESTIGATION OF EXERGY AND ENERGY EFFİCİENCY COOLİNG SYSTEM USED IN ELECTRIC VEHİCLES

THERMAL MANAGMENT SYSTEM

ABSTRACT

At the present time battery technology is developing with the use of electric vehicles. Undoubtedly batteries directly affects the performance of electric vehicles Increase the capacity of battery and decrease the battery packet weight as well as battery operation temperature keep in optimum temperature range during charging and discharging has developed a cooling system for battery pack. İn electric vehicles, it can be designed cooling system for the battery thermal management system as well as integrated air conditioning system can be developed for the battery cooling system.

İn this thesis, in electric vehicles used cooling systems are introduced and a integrated air conditioning systems energy and exergy efficiency equation expressing were given. Ford Focus Electric battery cooling system explained and exergy, energy analyzes were performed. Available battery cooling system were compared and the results were evaluated in terms of the superiority of one another.

1 1. GİRİŞ

Sınırlı enerji kaynaklarının, bilinçsizce kullanımı ile hızlıca tükenmesi sonucunda bilim insanları yeni enerji kaynakları bulma arayışı içerisine girmişlerdir. Bu arayışlar özellikle en çok tüketilen enerji kaynağı olan petrol enerjisinin kullanımına dayalı sektörlerde önemli gelişmelere neden olmuştur. Bu sektörlerden birisi olan ulaşım sektörü de bu gelişmelerden nasibini almıştır.

Son yıllarda ulaşım sektöründe dizel ve benzinli yakıtlı araçlara ek olarak alternatif enerjili araçlar üzerine önemli çalışmalar gerçekleşmektedir. Alternatif enerjili araçların başında elektrikli araçlar gelmektedir. Elektrikli araçlar çevreci ve yüksek enerji verimliliğe sahip olmaları nedeni ile popülerliğini korumaktadır.

Elektrikli araçlar klasik araçlara göre her ne kadar üstünlüğe sahip olsa da sınırlı batarya kapasitesine sahip olmaları sıcaklık ile birlikte batarya performansının araç performansını ve ömrünü doğrudan etkilemesi elektrikli araçların dezavantajları arasında gösterilebilir.

Bu nedenle bilim insanları elektrikli araçlarda sistem verimliliğini artırmak ve batarya performans ve ömrünü uzatmak üzerine yoğunlaşmış ve elektrikli araçlarda batarya termal yönetimi sistemi üzerine önemli çalışmalarda bulunmuşlardır.

Tüm bu çalışmalar sonucunda bilim insanları elektrikli araçlarda batarya termal yönetim sisteminde enerji analizi, ekserji (kullanılabilir enerji) analizi, tersinmezlikler, tersinir iş, kayıp iş, termo ekonomi, ekserji ekonomi kavramları üzerinde önemli çalışmalar yaparak, enerji kullanan sistemlerde daha az enerji sarfiyatı ile daha çok iş üretme ve verim artırma konusunda önemli ölçüde olumlu sonuçlar almışlardır [1]. Bu çalışmada, elektrikli araç batarya sorunlarına değinilerek batarya termal yönetim sistemleri araştırılarak literatür taraması yapıldı. Klima sistemine entegre bataryaya soğutma sisteminin enerji ve ekserji verimliliğini ifade eden denklemler verildi. Ford markasının Focus Electric adlı modeline ait batarya soğutma sistemi açıklanarak ekserji ve enerji analizleri yapıldı. Mevcut batarya soğutma sistemleri değerlendirildi ve birbirlerine olan üstünlükleri ekler bölümünde verildi.

2 1.1 Literatür Taraması

Pesaran ve Keyser çalışmalarında batarya modülünün ısı kapasitesi ve ısı üretimini ölçmek için bir kalorimetre kullanmış ve çalışma koşullarında batarya modülünün termal görüntülerini elde etmek için kızılötesi ekipmanlar kullanmışlardır. Çalışmaları sonucunda kurşun asit, lityum-iyon çinko nikel batarya ve hücreler için ısı üretimi, ısı kapasitesi ve termal görüntülere ulaşmışlardır. Her batarya tipi için ısı üretim oranının başlangıçta ki şarj durumu, başlangıçta ki sıcaklık ve şarj deşarj eğrileri ile değişim gösterdiğini gözlemlemişlerdir. Bataryada ki termal sıcaklık dağılımının batarya tasarımına bağlı olduğunu gözlemlemiştirler [2].

Bir başka çalışmasında Pesaran, batarya termal yönetim sistemlerinin bazı sorunlarını ve bu sorunlara ilişkin çözümleri gözden geçirerek, uygun bir batarya termal yönetim sistemi tasarlamak için gerekli bilgilere ulaşmaya çalışmıştır. Aktif soğutmaya karşı pasif soğutma, sıvı soğutmalı ya karşı hava soğutmalı, ısıtmalı ve soğutmalı sisteme karşı sadece soğutmalı sistem ve valf ayarlı kurşun-asit, Nikel-metal hidrit ve lityum-iyon batarya yönetim sistemleri için rölatif gereksinimler gibi konular tartışmaya sunmuştur.

Sonuç olarak, iyi bir termal yönetim sisteminin EA ve HEA araçlar da batarya paketi sıcaklığını her noktasında eşit olacak şekilde arzulanan sıcaklık aralığında tutması gerektiği kanısına varmıştır. Sıcak ve soğuk iklim koşullarında EA BTYS’nin aktif ısıtma ve soğutmaya izin vermesi gerektiğini belirtmiştir. Bir modülün düzgün ısıl tasarımının bütün paket termal yönetimi ve davranışları üzerinde olumlu bir etkisi var olduğunu gözlemlemiştir. Termal yönetim sisteminde havanın kullanılması daha az etkili ve daha az karmaşık olmasına karşın sıvı soğutmalı ve ısıtmalı sistemin daha etkili olduğunu savunmuştur. Genel olarak, paralel HEA araçlarda hava kullanımı termal yönetim sistemi için yeterli olduğunu fakat EA ve seri HEA’lar da optimum termal performans içi sıvı bazlı sistemler gerekli olabileceğini belirtmiştir. Nikel-metal hidrit bataryaların termal yönetim sistemlerinin Lityum-iyon ve valf ayarlı kurşun-asit bataryalara göre daha özenli olması gerektiğini tespit etmiştir. Ayrıca Lityum-iyon bataryaların güvenlik ve düşük performans kaygısı sebebi ile iyi bir termal yönetime sahip olması gerektiğini belirtmiştir Batarya paketinin konumu da batarya termal yönetim sistemi üzerinde güçlü bir etkiye sahip olabileceğini vurgulamıştır.[3]. Pesaran ve diğ. EA ve HEA’da ki batarya termal yönetim sistemleri için FDM uygunluğunu analiz etmiştirler. Prototip FDM grafit matris modülünü simülasyon tabanlı araç sürüş çevriminde deneysel olarak değerlendirmiştirler ve daha sonra

3

modeli FDM termal yönetim sistemi faydaları ve kısıtlamalarını keşfetmek için kullanmıştırlar.

Çalışmaları sonucunda, FDM araç uygulamalarında pik sıcaklık sınırlayıcı faydası sağladığını fakat sürekli sürüş esnasında tüm batarya termal yönetim sisteminde yüksek sıcaklıklardan kaçınmak için aktif soğutma ya da batarya güç çıkışı sınırlandırmasına güvenmek gerektiği kanısına varmıştılar. Ve ayrıca, araç tasarımcılarının batarya termal yönetim sistemine FDM’i eklediğinde beklediği faydalara karşın bataryanın kütlesindeki potansiyel artışı ve maliyet ilişkisini hesaplaması gerektiğini, daha küçük aktif soğutma sisteminin yüksek sıcaklık koşullarında daha az batarya limit güç çıkışı ihtiyaç duyduğunu ve/veya hücre anlık ya da lokalize yüksek sıcaklıklara maruz kalması potansiyel olarak azalır. [4].

Ramotar, tez çalışmasında indirekt temaslı sıvı soğutmalı sistemlerin hibrid ve elektrikli araçlarda uygulanabilirliğini incelemiştir. Tasarımı UOIT EcoCAR aracının

bir parçası olarak modellenmiştir. Tez çalışmasında tüm sistemin analizinin yanı sıra, indirekt temaslı sıvı soğutmalı sistemde ki her bir bileşen için entropi üretimini göz önünde bulundurarak termo analizlerini yapmıştır. Batarya modülü için soğutma boruları ve tüm modül için ısı eşanjörü modeli geliştirmiştir. Her bileşende ki birçok parametreyi değiştirmiş ve entropi üretiminde değişime yol açan değişkenleri gözlemlemiştir.

Ramotar tez çalışması sonucunda, batarya modülü, ısı eşanjörü, pompa ve genişleme valfi bileşenleri entropi üretiminin çoğunluğunu oluşturduğunu ve sistemin tümünde entropi üretiminin artışına yol açacağını saptamıştır. Tasarlamış olduğu model göstermiştir ki batarya termal yönetim sisteminde entropi de azalama ve sayede sistem performansında eşsiz bir artış olmuştur. Teorik olarak tasarlamış olduğu sıvı soğutmalı sistemin araçlarda batarya sistemini soğutmak amacı için yaygın olarak kullanılmadığını saptamıştır [5].

Bir başka çalışmada Krueger ve arkadaşları, klima çevrimi üzerindeki batarya soğutma etkisini incelemek amacıyla batarya soğutma sistem modelini mevcut Modelica (yazılım) kütüphanesine eklemiş ve ayrıca komple sistemin analizini mümkün kılmak için lityum iyon hücreleri Modelica da modellemişlerdir. HEA için bataryadan kaynaklanan termal yük “Yeni Avrupa Sürüş Çevrimi (NEDC)” boyunca hesaplamıştırlar. Simülasyonlarını iki farklı soğutma sıvısı R134a R1234yf için yürütmüştürler.

4

Çalışmaların da kompresörün enerji talebinin iklim koşullarına ve soğutucuya bağlı olarak % 10 oranında arttığı sonucuna varmıştırlar. Sıcak hava koşullarında, batarya soğutma sistemi devreye alındığında yolcuların termal konforunun azalacağını belirtmiştirler. Ek olarak sıcak hava koşullarında, batarya soğutma çevrimi yolcu konforunu etkiler; ne zaman ki batarya soğutma sistemi açıldığında evaporatör hava çıkış sıcaklığı 1 Kw’ya yükseldiğini ve soğutucu döngüsünün enerji tüketimi % 11 kadar artış göstereceği sonucuna varmıştırlar [6].

Bir başka termal sistem ekserji analizinde, Dinçer ve diğ. elektrikli araçlarda İYM’den önce kullanılan mesafe artırıcının termal yönetim sistemni incelenmişlerdir. Çalışmaların da yüksek çevre sıcaklıklarında araçta soğutkan ve soğutma çevrimi için analiz yapmış, çevrimler içerisindeki tersinmezlikleri belirlemiş ve çevrimde ki iyileştirme alanlarını tespit etmiştirler.

Analizlerine dayanarak, sistem için enerjitik COP (soğutma verimliliği katsayısı ) aralığını 1,8-2,4 ve ekserjitik COP aralığını 0,26-0,39 olarak hesaplamıştırlar. Birçok parametrik çalışmalar yapmış ve tüm eksrjitik COP üzerindeki en önemli etkiyi çevre sıcaklığı olduğunu bulmuşturlar. Sistemde ki tersinmezliklere en büyük katkıyı sistem ve sistem çevresi arasında ki ısı transferi ve sistem içerisindeki sıvı sürtünmesinin sağladığını gözlemlemiştirler. Tüm sistemde ki ekserjitik COP üzerine en büyük etkiyi çevre sıcaklıklarının yaptığını saptamıştırlar [7].

Rao ve diğ. bataryaların çevrim süresini artırmak ve elektrikli araçların genel maliyetini azaltmak amacıyla, ısı boruları ile donatılmış termal yönetim sistemini batarya ısı üretim karakterine göre dizayn etmiştirler.

Deneyleri sonucunda ısı üretim oranının 50 W’dan daha düşük iken, maksimum sıcaklığın 50°C altına kontrol edilebileceği sonucuna varmıştırlar. Maksimum sıcaklık farkı 5°C nin altında olduğunda ısı üretim oranının 30 W’ı aşamayacağını gözlemlemiştirler. Test çevrimi ve kararsız çalışma koşulları altında, maksimum sıcaklık ve sıcaklık farkını belirlenen sıcaklık aralığında kontrol etmiştirler. Isı borulu sistemin batarya ısı yönetimi için etkili bir yöntem olduğu kanısına varmıştırlar [8]. Bir başka tez çalışmasında Hasselby, HEA’ın BTYS’ni değerlendirmek ve yaklaşım oluşturmak amacıyla bir boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli incelemeye almıştır. Çalışmaları gerçek ölçümlere yakın, ufak sapmalar gösteren doğru tahminler üretebilen bir model oluşturmanın mümkün olduğunu göstermiştir. Enerji tasarrufu sağlayacak şekilde batarya soğutması için olası bir kontrol şeması modeli kullanılarak örneklendirmiştir.

5

Çalışmaları sonucunda elde ettiği bulgular, araç geliştirme aşamalarında erkenden bu tür modeller kullanmanın faydalı olacağını ve sistemin enerji verimi kontrol edilmesi için yöntem tasarlanmanın çaba gerektirdiği çünkü sadece gerçek bir sistemde yer alan birçok kısıtlamaların yanı sıra dinamik davranışlar olduğunu ortaya koymuştur. Bu da daha kapsamlı bir analiz yapma gereği doğuracaktır [9].

Dinçer ve diğ. çalışmaların da, HEA’lar da yeni soğutma sistemi araştırmak amacıyla enerji ve ekserji analizi yapmıştırlar. Aktif soğutma çevrimine entegre gizli termal ısı enerjisi depolayan sistem de FDM seçmiştirler. HEA termal yönetim sisteminde ki her bir bileşenin ekserji kaybı oranı ve ekserji verimliliğini hesaplamıştırlar. Ek olarak, gizli ısı depolama sistemine (FDM) giren soğutucu sürtünme kaybı, evaporatör sıcaklığı ve sistem performansı üzerindeki basınç düşüş oranı gibi birçok parametreyi incelemiştirler.

Ekserji analizinin bulguları FDM varlığı ile sistemin genel ekserji veriminin %31, en büyük ekserji kaybının 0.4 KW ve ısı eşanjörünün diğer bileşenlerle karşılaştırıldığında düşük ekserji verimliliğine sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Ek olarak, parametrik çalışma sonucu göstermiştir ki FDM’ deki sürtünme kuvveti artışı sonucunda sistemde ki ekserji verimliliği artar. Analiz sonuçları göstermiştir ki maks. ekserji verimliliği %34.5 iken min. toplam maliyet oranı 1.38 $/h’dir [10].

Wang ve diğ. EA’lar da batarya soğutması için klima sistemine entegre ısı pompalı soğutma sisteminin analizini yapmıştırlar. Birleşik sistemin performansı analiz etmek için bir sayısal simülasyon yürütmüştürler.

Çalışmaları sonucunda şu sonuca varmıştırlar, eğer bataryadan atılan atık ısı 800W’dan daha az ise birleşim ısısı kompresör lehine yapılandırılmalıdır. Çünkü batarya sistemine eklenen ısı, ısıtma da daha fazla enerji kazandırabilir fakat soğutma sisteminde daha fazla enerji tüketecektir. Özellikle yüksek ortam sıcaklıklarında uzun süreli sürüşlerde klima için çok fazla enerji tüketir [11].

Dinçer ve diğ. bir başka çalışmaların da farklı parametreler eşliğinde HEA TYS performans analizi incelenmiştir. Buharlaştırma ve yoğuşturma sıcaklıklarını kapsayan aşırı soğutma ve aşırı ısıtma, kompresör hızı, ısı eşanjörü basınç düşüşünün yanı sıra ısı kaybı oranı gibi bir kaç parametrenin sistem üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Analiz sonuçlarına dayanarak, sistemin kütle akış hızındaki artış evaporatörde ve kondenserde 60 Kpa ya kadar basınç düşüşüne ve bunun da sistemin ekserjitik COP’ini % 12 kadar azalttığı göstermiştir. Ayrıca, aynı zamanda sistemin ekserjitik COP si ısı

6

eşanjörün de aşırı ısıtma ve aşırı soğutma uygulanarak %8 e kadar artırılabileceği bulunmuştur [12].

Zhang ve diğ. çalışmaların da yanında alüminyum iğneli ısı emici içeren prizmatik lityum-iyon hücrelerden oluşan batarya paketi termal yönetimini incelemiştirler. İğneli ısı emici düzeninin, deşarj oranı, hava giriş akış hızı ve bataryaya giren hava sıcaklığı üzerindeki etkisini incelemiştirler.

Analizleri sonucunda, üniform iğneli ısı emici yüksekliğine rağmen sıcaklık bölgesinde standart sapmayı artırabilir, bu çeşit iğneli ısı emici kullanılması iğnesiz ısı emici ile karşılaştırıldığında yalnızca batarya içinde toplu sıcaklığı düşürmez aynı zamanda batarya içerisinde ki sıcaklık bölgesinde standart sapmayı da azaltabilir. Batarya maksimum sıcaklığa yükselirken, artan giriş havası sıcaklığı sıcaklık bölgesinde standart sapmada azalmaya yol açar. Ayrıca, giriş havası hızında ki artış, ilk olarak sıcaklık alanı standart sapmasında maksimum noktaya kadar ulaşır ve ardından azalır [13].

1.2 Elektrikli Araçlar

1.2.1 Elektrikli araçların tarihsel gelişimi

İlk elektrikli motor 1828 yılında bir Macar bilim adamı olan Stephen Anyos JEDLIK tarafından üretildi (Şekil 1.1). JEDLIK üretilen bu makineye "Lightning magnetic self rotor" adını verdi.

Şekil 1. 1: Stephen Anyos JEDLIK’in Yaptığı İlk Elektrik Motoru 1827 [14].

Bu makine doğru akımla çalışıyor ve bugünkü motorlar gibi iki ana parçadan oluşuyordu: 1-Rotor, 2-Stator.

Rotor kısmı mıknatıs özelliğe sahip olup stator kısmından geçen elektrik akımının yarattığı mıknatıs alanın etkisi altında dönüyordu. JEDLIK 1830 yılında bu motor tasarımından yararlanarak çok basit bir düzeneğe sahip olan ilk elektrikli model aracı (Şekil 1.2) üretti [14].

7

Şekil 1. 2 : İlk Elektrikli Model Araç 1828 [15].

Elektrikli otomobiller 19.yy’ın ortalarında ve 20.yy’ın başlarında oldukça popülerdi, elektrikli otomobiller konforu ve kullanım kolaylığı ile petrollü otomobillere göre daha üstündü. İçten yanmalı motor teknolojisindeki ilerlemeler, özellikle elektrik starter’i bu üstünlüğü tartışmalı hale getirdi. Petrollü otomobillerin geniş çeşitliliği, daha hızlı bir şekilde enerji yüklenebilmesi, gelişen petrol altyapısı, Ford Motor şirketi gibi şirketlerin seri petrollü araç üretimi ve bu seri üretim sonucu petrollü otomobillerin elektrikli otomobiller ile aynı fiyata gelmesine hatta daha ucuz olmasına sebep oldu. Bu gelişmeler 1930’larda elektrikli otomobillerin ABD piyasasından silinmesine sebep oldu. Bununla birlikte, son yıllarda, petrollü otomobillerin çevresel etkileri hakkındaki endişeler, yüksek benzin fiyatları, batarya teknolojisindeki gelişmeler ve petrol fiyatının yükselme ihtimali elektrikli otomobillere yeniden bir ilgi doğmasına yol açtı. 1990’lardaki başarısız bir ortaya çıkma girişiminden sonra bu yeni elektrikli otomobiller daha çevre dostu oldu ve ilk satın alma masraflarına rağmen çalıştırılması ve kullanımı daha ucuz hale getirildi [15].

1.2.2 Elektrikli araçların çalışma prensibi

Elektrikli araçların (EA) çalışma prensibi içten yanmalı motorlu araçlara göre çok daha basittir. EA’ lar da tekerlere tahrik doğrudan veya mekanik diferansiyel üzerinden dolaylı olarak elektrik motoru ile verilebilir. Elektrik motorunun ihtiyaç duyacağı enerji bataryada depo edilen elektrik enerjisinden sağlanır. Ayrıca araçta ivmelenme ihtiyacına göre elektrik motoruna gönderilecek elektrik enerjisini ayarlayan hız kontrol ünitesi bulunur. Şekil 1.3’de Elektrikli aracın şeması görülmektedir.

8

Şekil 1. 3 : Elektrikli Araç Şeması

1.2.3 Elektrikli araçların avantaj ve dezavantajları

EA’ların avantajlarını sayacak olursak sessiz çalışmaları, yüksek verimliliğe sahip olmaları, frenleme ve sürüş sırasında şarj edilebilmeleri, çevreci olmaları, sınırsız enerji kaynağına sahip olmaları ve daha az mekanik aksama sahip olmaları elektrikli araçların avantajları arasında sayılabilir.

EA’ların dezavantajlarını sayacak olursak şarj edilebilecek noktaların az olması nedeniyle uzun menzil kullanımına uygun olmamaları, sürüş menzillerinin kısa olması, uzun sürede şarj olması, suya ve neme karşı yalıtım yapılma zorunluluğu olması, bataryaların yüksek ağırlığa sahip olması, bataryaların kısa süreli ömre sahip olması, sınırlı batarya kapasitesine sahip olması ve batarya masrafının fazla olması EA’ların dezavantajları arasında sıralanabilir.

1.2.4 Elektrikli araçların geleceği

Gelecekte şehirlerdeki EA sayısı bir hayli fazla olacağı ve bu araçların aynı şebekeden besleneceği düşünüldüğünde, araçların şebekeye bağlı kaldıkları sürece enerji depolama üniteleri olarak kullanılmaları fikri ortaya çıkmıştır. EA’ların çoğu şarj olmak için şebekeye geceleri bağlanacaktır. Böylece gece saatlerinde üretim fazla tüketim az olacağı için elektrik enerjisi birim fiyatı azalacaktır. Bu durumda araç sahibi bataryasını ucuz enerji ile doldurup, enerjiye yoğun talep olduğu dönemde depoladığı enerjiyi yüksek fiyatla şebekeye tekrardan satabilecektir. Araçlarda bu çalışmayı kontrol edip denetim altında tutacak akıllı şarj/deşarj sistemlerinin araçlara montajlanması planlanırken[16] bir yandan da akıllı garajların motor üzerinde sürüş performansı incelenmiş ve literatüre kazandırılmıştır [17].

Şekil 1.4 üzerinde çalışmalar başlamıştır. Bu yeni teknoloji akıllı garaj ismiyle, ulaştırma ağı ve elektrik güç sistemleri arasında yeni bir ara yüz sunmaktadır. Bu garaj

9

elektrikli araçlar için G2V işlemini içine alan bir şarj servisi ve elektrik güç ağı için bir yan hizmet olan V2G’yi içinde barındırmaktadır. Akıllı garaj operatörü elektrik ticaret fiyatlarını elde etmek veya mevcut elektrik enerjisi miktarını bildirmek için bağımsız bir sistem operatörü ile iletişim kurmaktadır [17]. EA’ların G2V ve V2G konseptleri sayesinde şebekeye bağlanmasıyla iki yönlü güç akışı imkânı ortaya çıkmıştır. Güç akışının şebekeden araca doğru olması durumunda şarj (G2V), araçta depolanan gücün şebekeye aktarılması durumunda ise deşarj (V2G) olarak adlandırılmaktadır [18].

Şekil 1. 4 : Akıllı Garaj Ara yüzü [17].

EA’ların en pahalı parçaları bataryalarıdır [19]. EA’lar da kullanılan bataryaların maliyeti 2010 yılında ortalama 750$/kWh iken 2012’de ortalama 500$/kWh ve 2014’te ise ortalama 380$/kWh seviyelerine düşmüştür (Şekil 1.4). 2020 yılında ise bu fiyatın ortalama 300$/kWh’a kadar düşeceği tahmin edilmektedir. Yaşanılacak olan bu düşüşün elektrikli araç birim maliyetine yansıyacağı ve böylece EA pazarında alım gücünü kolaylaştıracağı düşünülmektedir.

10

Bunlara ilaveten, Japonya “Yeni Enerji ve Endüstriyel Teknoloji Geliştirme Organizasyonu (NEDO)” şuan ki mevcut batarya teknolojisinden 10 kat daha uzak menzilli 1600km olacak yeni nesil batarya teknolojisini 2030’a kadar tamamlamayı hedeflemektedir [21].

1.3 Tezin Amacı

EA’lar da kabin soğutmasının yanı sıra, sıcaklığın batarya performansı ve ömrü üzerine olan olumsuz etkisi göz önüne alındığında batarya sistemi içinde, kabin soğutmasına adapte bir soğutma sistemi veya kabin soğutma sisteminden ayrı bir Batarya Soğutma Sistemi (BSS) tasarlama zorunluluğu doğmuştur.

Birçok araştırmacı Lityum iyon bataryaların sıcaklığını uygun seviyede tutmak için yeni metotlar bulma üzerine çalışmıştır. Lityum-iyon pillerin termal yönetimi için hava soğutmalı, sıvı soğutmalı, ısı boruları kullanımını ve faz değişim malzemelerinin kullanımını içeren farklı yaklaşımlar vardır. Hava soğutmalı sistem sadeliği nedeniyle pek çok araştırmacının ilgisini çekmiştir [13].

Ayrıca, soğutma sistemi güvenilir, kompakt, hafif, bakım için kolayca erişilebilir, düşük maliyetli ve düşük güç tüketimi gibi araç gereksinimlerini karşılamalıdır [22]. Bu tez kapsamında günümüzde elektrikli araçlarda batarya sorunlarına değinilerek elektrikli araçlarda kullanılan Termal Yönetim Sistemleri (TYS) araştırılıp, mukayese edilecektir. Ayrıca klima sistemine entegre BTYS ve Ford Focus Electric aracın termal yönetim sistemlerinin termodinamik birinci ve ikinci kanun analizleri yapılacaktır.

11

2 ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA KULLANILAN SOĞUTMA SİSTEMLERİ

2.1 Elektrikli Araçlarda Soğutma Sisteminin Gerekliliği

Batarya performansı, ömrü ve maliyeti doğrudan elektrikli ve hibrid elektrikli araçların performansını, ömrünü ve maliyetini etkiler. Batarya sıcaklığı, ilk çalıştırmada ve ivmelenme sırasında deşarj gücünü, frenlenme sırasında enerji kazanımını etkiler. Bu durum araç sürüşünü ve yakıt ekonomisini etkilemektedir. Ayrıca sıcaklık batarya ömrünü de etkiler. Her bataryanın optimum çalışma sıcaklığı aralık değeri vardır. Pesaran ve diğ. ortam sıcaklık aralığının batarya paketi üzerindeki etkisini batarya modülü içerisinden hava geçirerek federal kentsel sürüş programı (FUDS) çalışma koşulları altında analiz etmiştir. Yazarlar batarya iç sıcaklığının 60°C üzerinde, batarya kapasitesinin ve performansının önemli ölçüde düştüğü sonucuna varmışlardır [23]. Soğutma sisteminin amacı; bataryayı optimum sıcaklık aralığında tutmak, performans ve yıpranma arasında en iyi dengeyi sağlamaktır. Paket içerisindeki sıcaklık dağılımı her noktada eşit olmalı çünkü sıcaklık gradyanı hücreler arasında farklı seviyede yıpranmaya bu nedenle de her bir hücre için farklı şarj deşarj davranışına sebebiyet verebilmektedir[24,25].

Lityum-iyon batarya ömrünün sıcaklığa bağlılığı Şekil 2.1’de ve sıcaklığın batarya gücüne etkisi Şekil 2.2’de görülmektedir. Şekillerden anlaşılacağı üzere 20°C ile 40°C sıcaklık değeri aralığında batarya maksimum performans sergilemektedir. Tüm bu sebepler elektrikli ve hibrid elektrikli araçlarda BTYS’nin gerekliliğini zorunlu kılmıştır.

12

Şekil 2. 1 : Lityum-İyon Batarya Ömür Sıcaklık Grafiği [26].

Şekil 2. 2 : Batarya Sıcaklık-Güç İlişkisi[27].

2.2 Elektrikli Araçlarda Yaygın Olarak Kullanılan Soğutma Sistemleri 2.2.1 Hava soğutmalı ve ısıtmalı

Giriş havası direkt atmosferden veya kabinden alınabileceği gibi klima sisteminin ısıtıcısından veya evoparatöründen alınabilir.Bunlardan ilki pasif hava sistemi ikincisi aktif hava sistemi olarak adlandırılır. Aktif sistem soğutma veya ısıtma gücü sunabilir ve bu sistemin gücü 1 KW ile sınırlıdır. Pasif sistem ise birkaç 100 watt soğutma veya ısıtma gücü sunabilir [28].

Çünkü her iki durumda da, hava bir üfleyici tarafından sağlanır, bu sistem ayrıca zorlamalı hava sistemi olarak da adlandırılır. Şekil 2.3’de aktif ve pasif zorlamalı hava sistemi görülmektedir. Hava soğutmalı sistem, ısıtma, soğutma ve havalandırma imkanı sunar. Ek bir vantilatör kullanmaya gerek yoktur ancak egzoz havası tekrardan kabine gönderilemez.

13

Şekil 2. 3 : Zorlamalı Hava Sistemi (Aktif / Pasif)

Bazı durumlarda batarya paketinden sonra egzoz havasından ısı geri kazanımı için ısı eşanjörü kullanılabilir. Bu sistem giriş havası ile egzoz havası karışımını önleyebilir ve aynı zamanda ekstra tasarruf sağlayabilir. Şekil 2.4’de ısı geri kazanımlı zorlamalı hava sistemi görülmektedir.

Şekil 2. 4 : Isı Geri Kazanımlı Zorlamalı Hava Sistemi

2.2.2 Sıvı soğutmalı ve ısıtmalı

Havanın yanı sıra sıvı, ısı transferi için kulanılan başka bir soğutucu akışkandır. Termal yönetim sistemlerin de kullanılan soğutucu sıvı akışkanlar iki grup altında toplanabilir. Bunlar, batarya hücreleri ile direkt temas eden dielektrik sıvılar (mineral yağlar) ve pil hücrelerine dolaylı yoldan temas eden indirekt sıvılar (etilen glikol su karışımı) olarak ayrılabilir. Değişik tasarımlara bağlı olarak farklı soğutucu sıvılar kullanılır. Doğrudan temaslı sıvılar için batarya modülü mineral yağa batırılır. Dolaylı temaslı sıvılar için batarya modülü etrafında gömlek, her modül için ayrı ayrı boru, soğutma - ısıtma plakası üzerinde batarya modüllerini yerleştirerek veya soğutma - ısıtma kanatları ile batarya modülü birleştirilerek uygulanabilir[29].

Bu iki grup arasında dolaylı temas sistemleri pil modülü ve çevresi arasında daha iyi izolasyon ve daha iyi performans elde etmek için tercih edilir.

Sıvı sistemler de pasif sistemler veya aktif sistemler olarak kategorize edilebilir. Pasif sıvı sisteminde ısı emici soğutma için bir radyatördür. Bu sistemin ısıtma yeteneği yoktur. Şekil 2.5’de pasif soğutma sistemi görülmektedir. Isı transfer sıvısı, bir kapalı sistem içinde pompayla sirküle edilir. Dolaşan sıvı batarya modülünde ki ısıyı emer ve radyatör yoluyla ısı serbest bırakılır. Soğutma gücü ortam havası ile batarya arasındaki sıcaklıkla direkt etkileşim içindedir. Radyatörün arkasında ki soğutucu fan soğutma

14

performansını artırabilir, fakat ortam hava sıcaklığı pil sıcaklığından daha yüksek ya da aralarındaki sıcaklık farkı çok düşük ise pasif sıvı sistemi etkisiz hale gelmektedir.

Şekil 2. 5 : Pasif Sıvı Soğutma Sistemi

Şekil 2.6’da aktif sıvı soğutma sistemi görülmektedir. Şekilde iki çevrim görülmektedir. Üstteki çevrim birincil çevrim alttaki çevrim ikincil çevrim olarak adlandırılır. Birincil çevrim pasif sıvı sistemi çevrimine benzer, ısı transfer akışkanı pompa ile sirküle edilir. İkincil çevrim ise klima çevrimidir.

Şekil 2. 6 : Aktif Sıvı Soğutma Sistemi

Üstteki ısı eşanjörü soğutma operasyonu ve çevrimleri birbirine bağlamak için radyatör yerine evaporatör görevi görür. Isıtma operasyonu sırasında 4 yollu valf açılır üstteki ısı eşanjörü kondenser görevi görür ve alttaki ısı eşanjörü evaporatör görevi görür. Isıtma operasyonu ayrıca ısı pompası çevrimi olarak adlandırılır.

2.2.3 Direkt soğutmalı soğutma ve ısıtma

Aktif sıvı soğutmalı sistemle benzerlik göstermektedir, direkt soğutmalı sistem klima sistemini içerir, fakat direkt soğutmalı sistemde kullanılan ısı transfer akışkanı direkt olarak batarya paketi içerisinde dolaştırılır. Şekil 2.7’de direkt soğutmalı soğutma ve ısıtma sistemi görülmektedir.

15

Şekil 2. 7 : Direkt Soğutmalı Soğutma Sistemi

2.2.4 Kombine sıvı soğutmalı sistem ( KSSS)

Dört çalışma modu sunan KSSS’nin ilki ısıtma ile baypas, ısıtıcısız baypas, pasif soğutma sistemi, aktif soğutma sistemi gibidir. Şekil 2.8’de KSSS görülmektedir. Soğutma sistemi pasif soğutma ve aktif soğutma sisteminin ikisinden yararlanır.

Şekil 2. 8 : Kombine Sıvı Soğutmalı Sistemi

Pasif soğutma sistemi basit bir yapıya sahiptir ve düşük enerji tüketimi ile normal koşullar altında ısı dağılımı yapabilir. Ekstrem koşullar altında aktif soğutma sistemi pil sıcaklığını istenilen aralıkta tutmak için iyi bir termal performansa sahiptir.

2.2.5 Faz değişim materyali (FDM)

Isı enerjisi ısıyı depolayan materyalin iç enerjisinde değişime neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, materyalin faz değiştirmesiyle ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Erime sırasında, ısı FDM tarafından emilir ve gizli ısı maksimum düzeye ulaşana kadar absorbe edilir. Sıcaklık, bir süre boyunca erime noktasında tutulur ve sıcaklık artışı geciktirilir. Bu nedenle, FDM iletken olarak kullanılır ve batarya yönetim sisteminde tampon görevi görür. Şekil 2.9’da FDM’nin batarya hücresi sıcaklığına etkisi görülmektedir.

16

Şekil 2. 9 : FDM’nin Batarya Sıcaklığına Etkisi [30].

Ayrıca batarya sıcaklığını yönetmek içim FDM hava soğutmalı veya sıvı soğutmalı sistemi ile kombinedir. FDM katmanı batarya paketinin içerisine yerleştirilir. İyi termal performans için FDM kullanılır ve KSS FDM için sınırlı çalışma sıcaklığını dengeler. Şekil 2.10’da KSSS ile FDM kombine soğutma sistemi görülmektedir.

Şekil 2. 10 : FDM ile KSSS Entegre Soğutma Sistemi

2.2.6 Termo-Elektrik modül

Pasif hava sistemlerinin ısıtma/soğutma gücünü artırmak iki muhtemel yolla mümkündür. Birinci yol Termo-Elektrik modülleri, burada incelenecektir. Öteki yöntem ısı borusu başlığı altında incelenecektir.

Termo-Elektrik modülü, elektrik voltajını farklı sıcaklıklara ve tersi yönde elektrik voltajına dönüştürebilir. Burada önce ki etkisi benimsenmiştir. Yani doğrudan elektrik tüketen modül yoluyla ısı transfer edilir. Şekil 2.11’de Termo-Elektik soğutma/ısıtma sistemi görülmektedir. İki fan zorlanmış konveksiyonla ısı transferini artırmak için kullanılır. Pasif hava sistemini Termo-Elektrik modülü ile birleştirmek, kombine sistem hava giriş sıcaklığından daha düşük batarya soğutması yapabilir fakat soğutma gücü hala bir kaç 100 watt ile sınırlı ve 1 KW’tan daha azdır [28]. Soğutma ve ısıtma işlemi arasında geçiş yapmak kolaydır. Bu işlemi gerçekleştirmek için, elektrotların kutupları tersine çevrilmesi gerekir.

17

Şekil 2. 11 : Termo-Elektrik Soğutma/Isıtma Sistemi [31].

2.2.7 Isı borulu soğutma sistemi

Termo-Elektrik modüllerinin yanı sıra, pasif hava sistemlerinin gücünü artırmak için ısı borulu sistem kullanmak başka bir yoldur. Isı borusunun yapısı Şekil 2.12’de görülmektedir. Kılcal yapı sinterlenmiş bakır tozu ile kaplanır. Isı borusunda çalışma sıvısı olarak su kullanılır. Evaporatör tarafında ki su ısıyı emer, içeride basınç düşüşü oluşur ve buhar sıcaklığı 100°C in altına düşer. Kondenserde ki su ısısı çevreye dağılarak tekrar sıvı hale gelir. Çevrim böylelikle gerçekleşir. Şekil 2.13’de ısı borulu soğutma sistemi şematik gösterimi görülmektedir.

Şekil 2. 12 : Isı Borusu Yapısı [32].

Batarya ısı kaynağı olarak ısı borusu altına (evaporatör tarafına) oturtulur. Soğutma kanatları ısı emici olarak ısı borusu (kondenser tarafı) üzerindedir. Bir deney sonucuna göre [33] ısı borulu soğutma sistemi ısı borusu olmayan sisteme kıyasla doğal konveksiyon altında termal direnci %30 azaltabilir. Düşük hava hızlarında konveksiyon altında termal direnç %20 azaltılabilir.

18

Şekil 2. 13 : Isı Borulu Soğutma Sistemi Şeması [34].

Termo-Elektriğe göre ısı borulu sistem daha güvenilirdir, çünkü hiçbir hareketli parça ve hiçbir enerji tüketimi yoktur. Ancak, sabit yapısal düzeni sebebiyle ısı borusu bataryayı ısıtamaz[35].

2.2.8 Isı emicili pasif soğutma

Bir diğer soğutma sistemi ise ısı emicili pasif soğutma sistemidir. Isı kaynağından absorbe edilen ısı, kanat yüzeylerinden yayılarak soğutma işlemi gerçekleştirilir. Isı emicisi tek başına kullanılabileceği gibi ısı borulu sistemde kondenser görevi görebilir veya bir soğutucu fan yardımı ile absorbe edilen ısıyı daha hızlı bir şekilde yayabilir. Isı emiciler çeşitli kanat yapılarında olabilir. Şekil 2.14’ te Newton’un soğutma ve enerji yasasına göre ısı emicisi için bir kanal taslağına ilişkin denklem görülmektedir.

Şekil 2. 14 : Isı Emicisi Soğutma Taslağı [36].

2.2.9 Isı pompalı soğutma sistemi

Isı pompası temel olarak, değişken frekanslı kompresör, fanlı dış ısı değiştirici, sıvı buhar ayırıcı, 2-4 yollu valf, soğutma için evaporatörü takiben genleşme valfi ve ısıtma için kondenseri takiben genleşme valfi içerir. Evaporatör ve kondenser havalandırma kanalına yerleştirilir. Şekil 2.15’te ısı pompası sistemi ile birleşik batarya soğutma sistemi görülmektedir. Soğutma sıvısı üç farklı ısı eşanjörüne 4 yollu selenoid valf ile taşınır ve kontrol edilir.

19

Şekil 2. 15 : Klima İle Birleşik Isı Pompası Sistemi [11].

Isı pompası sistemi kapalı olduğunda, batarya ısısı araç önünde bulunan ısı eşanjörü yoluyla doğal soğutma kaynağından faydalanılarak dağıtılır. Isı pompası ısıtma modunda olduğunda, karışım havasını ön ısıtma ve ısı pompası enerji tüketimini düşürmek için batarya ısısı hava kanalı içindeki ısı eşanjörü tarafından dağıtılır. Isı pompası soğutma modunda olduğunda, batarya ısısını dağıtmak ısı miktarına bağlıdır. Deşarj ısısı değerlendirme değerine yakın olduğunda, klima konforunu artırmak için soğutulmuş hava karışımı yeniden ısıtılarak batarya ısısı dağıtılır. Deşarj ısı çok büyük ve besleme hava sıcaklığı belirlenen değeri aştığında, soğutma sisteminde sıvı buhar ayırıcı ve 2-4 yollu vana arasında ısı eşanjörü ile batarya ısısı dağıtılır [11].

2.2.10 Evaporatif soğutma sistemi

Evaporatif kanalı her modül için üstte giriş menfezi ve altta çıkış menfezi ile donatılmıştır. Giriş menfezi, evaporatif kanalının içine düşük basınçlı sıvı soğutucuyu iletmek, çıkış menfezi ise evaporatif kanalından ısıtılmış soğutucuyu emmek için kullanılır. Bu direkt soğutucu tabanlı evaporatif soğutma sistemi batarya paketini soğutur. Bataryada üretilen ısı soğutma kanalı içindeki soğutucu gazın buharlaşmasıyla absorbe edilir ve daha sonra kondenser, ısıyı çevredeki havaya dağıtır. Bu proses düşük basınçlı sıvıdan düşük basınçlı buhara soğutucu üzerinden döner. Evaporatör veya soğutma kanalı, ana soğutma sistemine paralel bağlanır [37].

20

Şekil 2. 16 : Evaporatif Soğutma Sistemi [37].

2.3 Soğutma Teknolojilerin Değerlendrilmesi

Farklı BTYS çeşitli kriterlere göre yapılmış olan karşılaştırma ek A’da görülmektedir. 2.3.1 Zorlamalı hava sistemi

Termal yönetim bakımından yetersiz olan basit yapılı zorlamalı hava sistemi yüksek güvenirlilik ve düşük maliyeti yanı sıra kolay bakım avantajına sahiptir.

Yüksek ortam sıcaklarında örneğin 45°C - 50°C, batarya paketi içerisinde ki sıcaklık çalışma sıcaklığının ötesinde 55°C aştığında termal kaçaklara neden olur. Ayrıca sıcaklık dağılımının homojensizliği bozulma ve çevrim ömrü üzerine önemli ölçüde etki eder. Eğer ortam sıcaklığı göz ardı edilirse, hücreler arasında 2C deşarj hızında 2°C, 6.67C deşarj hızında 4,8°C fark oluşur. Sıcaklık dağılımının homojenliği aynı zamanda deşarj hızından da etkilenir. Deşarj hızı artıkça hücreler arasında ki sıcaklık farkı da artar. Artan deşarj hızı ile maksimum hücre sıcaklık farkı 5K üzerinde bile olabilir [38]. Bu bozulmaya ve çevrim ömrü azalmasına sebebiyet verecektir, çünkü hücreler arasında ki ısı transferi batarya paketi ve hava arasında ki ısı transferinden daha hızlı bir şekilde gerçekleşecektir. Yani bir hücre bozulursa, termal kaçak tüm batarya paketine yayılacaktır [39].

Çizelge 2.1’de görüldüğü üzere havanın ısı transfer katsayısı suyun ısı transfer katsayısından çok daha düşük iken, aynı akış hızında hava hacminin su hacminden daha büyük olduğunu göstermektedir. Yani hava soğutmalı sistemde sıvı soğutmalı sistemde ki kadar ısı dağıtımı için, daha fazla hacimsel debi yani daha fazla alan ve daha fazla güç gerektiği anlamına gelir. Hava soğutmalı sistem, su soğutmalı sistemle karşılaştırıldığında çok daha fazla alan ve çok daha fazla enerji tüketir.

21

Çizelge 2.1 Aynı kütlesel debide ki ( 50g/s) soğutkanların hacimsel debisi ve ısı transfer katsayıları [39].

Hacimsel debi Lt/s Ortalama ısı transfer Katsayısı ( W/m^2*K)

Hava 43 25

Mineral Yağ 0.057 57

Su 0.0049 390

2.3.2 Sıvı soğutmalı sistem

Üç şekil de sıvı soğutmalı sistem vardır; pasif soğutma sistemi, aktif soğutma sistemi ve soğutuculu soğutma sistemidir.

Pasif soğutma sistemi, ortam sıcaklığından etkilenir, çünkü ısı dağıtımı radyatöre bağımlıdır ve ısı dağıtımı radyatör sıvısı ve ortam arasında ki sıcaklık farkı ile gerçekleşir. Normal koşullar altında iyi bir şekilde çalışır, fakat yüksek ortam sıcaklıklarında yetersiz kalır.

Aktif soğutma sistemi, iyi bir termal performansa sahiptir. Batarya paketini optimum çalışma sıcaklığında tutabilir ve hatta hücreler arasında ki ısı dağıtımını önleyebilir, çünkü bu sistem de yüksek ısı transfer katsayısına sahip soğutma sıvısı vardır. Birçok yardımcı ve hareketli parçadan oluşması sebebiyle karmaşık yapıya sahiptir ve bakımı zordur. Ayrıca dışarı sızıntı ihtimali vardır.

Aktif soğutma sistemi ile karşılaştırıldığın da, direkt soğutuculu soğutma sistemi daha verimlidir, çünkü ilk olarak soğutucu doğrudan sistemi soğutmak yerine soğutma sıvısını soğutmak için kullanır ve daha sonra sistemi soğutmak için soğutma sıvısı kullanır. Soğutuculu soğutma sisteminin zayıf yönü; karmaşık yapısı, bakım zorluğu ve potansiyel sızıntı ihtimalidir.

2.3.3 Faz Değişim Materyali (FDM) sistemi

FDM soğutma sistemi iyi bir termal yönetim performansı sunar. Hatta 50° C ile 45° C 'den yüksek ortam sıcaklıkları altında, hücre paketi içindeki sıcaklık 55° C altındadır. Çünkü FDM yüksek termal iletkenlik ve gizli ısı depolayabilmektedir [38]. Çizelge 2,2’de FDM’ye ait termal karakteristik görülmektedir. Zor koşullar altında örneğin 6.67C deşarj oranında ve 45° C çevre sıcaklıkları arasında hücreler arasında ki maksimum sıcaklık farkı 0.5K’ni aşmaz ve normal koşullar altında hücreler arasında ki sıcaklık farkı ihmal edilebilir [38]. Bir hücre soğutulamazsa ısıl kaçak ilerlemeyecektir. Çünkü FDM matrisi ısıyı absorbe eder ve hızlı bir şekilde yayar [38]. FDM’nin zayıflığı soğuk koşullarda ya da boşlukta daha uygun olmasıdır. Ne zaman

22

ki batarya paketinin sıcaklığı FDM’nin erime sıcaklığı noktasından daha yüksek olduğunda, ısı gizli ısı olarak depolanır ve ne zaman ki ortam sıcaklığı FDM’nin erime sıcaklığı noktasının altında olduğunda, ısı batarya paketine salınacaktır.

FDM yeni bileşenler olmadan basit bir yapıdadır, hafif ve az yer kaplamaktadır. Fakat hala FDM tutuşabilme potansiyeline sahiptir ve elektrik iletkenliğinin yanı sıra hacim değişimi FDM grafit karakteristiğine bağlıdır.

Çizelge 2.2 FDM’ye ait termal karakteristik

Yoğunluk (g/cm^3) Gizli ısı (J/g) Isıl iletkenlik (W/(m.K))

FDM (S) 0.79

173.6/266 0.167

FDM (K) 0.916 0.346

2.3.4 Termo-Elektrik

Termo-Elektrik küçük ve hafif yapıya sahip ayrıca ısıtıcı eleman kutupları ters çevrilerek verimli bir soğutma elemanına dönüşebilir. Termo-Elektrik güvenilir, dayanıklı ve düşük bakım maliyeti vardır. Aynı zamanda arıza durumunda değiştirmek kolaydır. Ek olarak sessiz ve titreşimsiz çalışır [40].

Termo-Elektrik düşük verimliliğe sahiptir. 0.8 üzerinde verimlilik ısı yayımından daha fazla güç gerektiği anlamına gelmektedir [40]. Performans istenilen sıcaklık farkı ile ilişkilidir. Yani yüksek sıcaklık altında, sıcaklık farkı büyük ve Termo-Elektrik performansı kötüdür, budurumda çözümlenmemiş bir teknik problem vardır; sıcak ve soğuk taraf birbirine çok yakındır [40].

23

3 KLİMA KONTROL SİSTEMİ

Klima kontrol sistemi (KKS) iyi bir performans için rahat bir kabin sıcaklığı sunar, sürücü ve yolcuların konforunu sağlar. Buna ek olarak, batarya paketi genellikle KSS tarafından soğutulur çünkü pil çalışma sıcaklığı ortam sıcaklığına yakın olduğu için ve aşırı derecede büyük bir ısı değiştiricisi olmadan batarya sıcaklığını ortam havasını kullanarak soğutmak imkânsızdır ve ayrıca soğutma havasının yüksek debiye sahip olması gerekir.

KKS soğutma sistemi ısıyı kabinden soğutucu havaya iletir. Isı KKS’nin en büyük güç tüketicisi olan kompresör tarafından iletir. Kompresör güç tüketimi termodinamik çevrim analizi kullanılarak hesaplanır. Bu bölüm de KSS alt model yaklaşımları detaylıca açıklanacaktır.

3.1 Soğutma Sistem Modeli

Şekil 3. 1 : Elektrikli Araç Klima Kontrol Sistemi [41].

Şekil 3.1’de görüldüğü üzere soğutma sistemi kompresör, kondenser, evaporatör ve genişleme valfinden oluşur.

Soğutma çevriminde, kompresör soğutucu gazı sıkıştırır ve sıkıştırılmış gaz basınç altında ısınır. Isınan soğutucu gaz kondenserde üzerinden ki ısıyı dağıtır ve yüksek basınç altında yoğunlaşır. Yüksek basınçlı soğutucu sıvı genleşme vanasına akar ve aniden sıcaklık düşüşü ile buharlaştırılır.

24

Şekil 3.1’de iki evaporatör görülmektedir; bir tanesi kabin klima sisteminde diğeri ise BTYS’nde kullanılır. Kabin için olan evaporatörde, soğutucu havadan ısıyı emer ve soğuk hava kabine verilir. Batarya için olan evaporatörde ise, yağ evaporatör içinde soğutulur ve soğuk yağ pompa ile batarya paketine verilir. Evaporatörde ki soğutucu gaz kompresöre tekrar döner ve çevrim tekrar eder.

Bu çalışmada, soğutma sistemi basit bir termodinamik çevrim analizi yaklaşımı kullanılarak modellenmiştir. Şekil 3.1’de iki evaporatör de ısı soğutma havası ve soğutma yağından atılır. Kabin klima sisteminde, kabine verilen havanın sıcaklığı sabit varsayılmaktadır. Bu durumda, kabine verilen havadan atılan ısı miktarı şu şekilde hesaplanır;

𝑞_{𝑘𝑎𝑏𝑖𝑛,𝑒𝑣𝑎𝑝} = 𝑚̇_{ℎ𝑎𝑣𝑎}𝐶_{𝑝,ℎ𝑎𝑣𝑎}(𝑇_{𝑜𝑟𝑡𝑎𝑚}− 𝑇_{𝑘𝑎𝑏𝑖𝑛,𝑔}) (3.1)

Batarya soğutma çevriminde, soğutma yağından atılan ısı şu şekilde hesaplanır;

𝑞𝑏𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎,𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚̇𝑜𝑖𝑙𝐶𝑝,𝑜𝑖𝑙(𝑇𝑜𝑖𝑙,𝑔− 𝑇𝑜𝑖𝑙,ç) (3.2)

Böylece, kompresörde tüketilen güç şu şekilde hesaplanır;

𝑊 =𝑞𝑘𝑎𝑏𝑖𝑛,𝑒𝑣𝑎𝑝+𝑞𝑏𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎,𝑒𝑣𝑎𝑝

𝐶𝑂𝑃 (3.3)

Dolayısıyla, kondenserden yayılan ısı miktarı şu şekilde hesaplandı;

𝑞𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑒𝑟 = 𝑞𝑘𝑎𝑏𝑖𝑛,𝑒𝑣𝑎𝑝+ 𝑞𝑏𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎,𝑒𝑣𝑎𝑝+ 𝑊 (3.4)

3.2 Isı Yükü Modeli

Araçta KKS üzerinde güneş termal yükü başlıca ısı yüklerinden biridir. Ortamdan olan ısı aktarımı, ortamdan kabin duvarının dış yüzeyine aktarılan ısı dengesi ve kabin duvarı iç yüzeyinden kabin içerisine aktarılan ısı, radyasyon, konveksiyon ve iletim dikkate alınarak hesaplanır. Şekil 3.2’de ısı aktarımı şematik olarak gösterilmektedir.

25

Şekil 3. 2 : Kabin İçerisine Aktarılan Isı Balansı [41].

Kabin dış yüzey enerji dengesi şu şekil de hesaplanır;

α_𝑦𝐺𝑦+ ℎ0(𝑇∞− 𝑇𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑜) = 𝜀𝜎𝑇𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑜4 + (𝑘𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟/𝑡𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟)(𝑇𝑤𝑎𝑙𝑙,𝑜− 𝑇𝑤𝑎𝑙𝑙,𝑖) (3.5)

Eşitliğin sol tarafında ki ilk ifade dış yüzeyde güneş radyasyonunu ve ikinci ifade ise kabin duvarının dış yüzeyi ile ortam havası arasındaki konvektif ısı transferini temsil eder. Eşitliğin sağ tarafındaki ilk ifade ortam havasından kabin dış yüzeyine geri gelen radyasyonu ve ikinci ifade ise kabin duvarından ısı iletimini temsil eder.

Kabin iç yüzey enerji dengesi şu şekil de hesaplanır;

(𝑘_{𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟}/𝑡𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟)(𝑇𝑤𝑎𝑙𝑙,𝑜− 𝑇𝑤𝑎𝑙𝑙,𝑖) = ℎ𝑖(𝑇𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑖− 𝑇𝑐𝑎𝑏𝑖𝑛) + 𝜎(𝑇_{𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑖}4 −𝑇_{𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑦}4 ) 1 𝜀𝑑𝑢𝑣𝑎𝑟,𝑖+ 1 𝜀𝑘𝑎𝑏𝑖𝑛,𝑦−1 (3.6)

Eşitliğin sol tarafı kabin duvarı boyunca ısı iletimini temsil eder. Eşitliğin sağ tarafında ki ilk ifade kabin duvarın iç yüzeyi üzerinde konvektif ısı transferi ve ikinci ifade ise kabin yüzeyi ve kabin iç yüzeyi arasındaki radyasyonu temsil eder.

Yolculardan kaynaklanan ısı yükü yolcu başı sabit olarak 70 watt kabul edilmiştir [42]. Yolculardan kabine olan ısı transferi yolcu kapasitesi temel alınarak hesaplanmış ve kabinden yolculara olan ısı kaybı sabit kabul edilmiştir.

26

3.3 Batarya Termal Yönetim Sistem (BTYS) Modeli

KKS görevi yolculara konforlu kabin sıcaklığı sunmak ve elektrik bileşenlerini termal hasardan korumaktır. EA’lar da, KKS batarya paketi sıcaklığını kontrol etmek için BTYS’ni içermektedir, çünkü batarya paketi EA’ın bir parçası olarak önemli ölçüde ısı üretir. Bu nedenle, EA KKS geleneksel araçlarla karşılaştırıldığında daha fazla güç tüketir. Ek olarak, EA’lar da BTY önemlidir çünkü batarya sıcaklığı deşarj gücü kullana bilirliği, enerji ve rejeneratif fren sırasında enerji geri kazanımını etkiler. Bu da araç sürüşünü ve ekonomisini etkiler. Bu nedenle, batarya en uygun performans ve batarya ömrü için bir sıcaklık aralığında çalışmalıdır

BTYS modeli ısı üretimi, ısı transferi, basınç düşüş modelini içerir. Isı üretim ve ısı transfer modeli batarya paketi sıcaklığını ve evaporatör ısı atımını hesaplamak için kullanılır. Basınç düşüş modeli soğutma yağı pompa gücünü hesaplamak için kullanılır.

3.3.1 Isı üretim modeli

Batarya paketin de ısı üretimi batarya deşarj olduğunda iç direnç akımına dayalı hesaplanır. Batarya şarj olduğunda, ısı üretimi ile batarya paketi verimliliği etkilenir. Batarya paketinde ki ısı üretimi şu şekilde hesaplanır;

𝑄 = 𝐼2_{𝑅 (deşarj; I>0)}

𝑄 = 𝐼2_{𝑅 − 𝐼𝑉(1 − η}

𝑘𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏) (şarj; I<0) (3,7)

3.3.2 Isı transfer modeli

EA’lar da batarya paketi birim hücre pil dizisinden oluşur. Batarya da üretilen ısı soğutma akışkanı (sıvı veya gaz) ile soğutulur. Bu çalışmada, batarya paketi birim silindirik hücre pil dizisi kabul edilir, böylece Şekil 3.3’te gösterildiği gibi soğutma yağı pil dizesine gönderilir.

27

Şekil 3. 3 : Batarya Paket Şeması.

Batarya sıcaklığı şu şekilde hesaplanır;

𝑑𝑇𝑏𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎

𝑑𝑡 =

𝑄−𝑞𝑔

𝜌𝐶𝑝

(3.8) Soğutucu hava tarafından transfer edilen ısı şu şekilde hesaplanır;

𝑞_𝑖ç = 𝑈𝐴(𝑇_{𝑏𝑎𝑡𝑎𝑟𝑦𝑎}− 𝑇_𝑦𝑎ğ) (3.9)

Isı transfer katsayısı, soğutucu yağ akışının konveksiyonla bataryaya iletimi ile belirlenir.

𝑈 =

28

Konveksiyonel ısı transfer katsayısı Şekil 3.4’de görüldüğü gibi soğutucu akışkanın batarya dizesine kademeli aktığı varsayılarak hesaplanır. Tüpün ısı transfer katsayısı aşağıda ki kolerasyonla hesaplanır [43].

𝑁𝑢 ̅̅̅̅_{𝐷 = 𝐶𝑅𝑒𝐷,𝑚𝑎𝑘𝑠}𝑚 _𝑃𝑟0.36₍𝑃𝑟 Pr𝑠) 1/4 (3.11) [ 𝑁_𝐿 ≥ 20 0.7 < 𝑃𝑟 < 500 1000 < 𝑅𝑒𝐷,𝑚𝑎𝑘𝑠 < 2 × 106 ]

𝑁_𝐿 satır sayısını temsil eder ve m C sayısı sabit ve m sayısı Çizelge 3.1’de listelenmiştir. Renold sayısı hücre paketi içerisinde ki maksimum akış hızı kullanılarak hesaplanmıştır;

𝑅𝑒_{𝐷,𝑚𝑎𝑘𝑠} =𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠𝐷

𝑣 (3.12)

Eğer 𝑁_𝐿<20, düzeltme faktörü şu şekil de uygulanabilir;

𝑁𝑢 ̅̅̅̅_{𝐷| (𝑁}

𝐿<20) = 𝐶2𝑁𝑢̅̅̅̅𝐷| (𝑁𝐿≥20) (3.13)

𝐶2 düzeltme faktörü denklemi Çizelge 3.2’de verilmiştir. Son olarak taşınım ile ısı transfer katsayısı şu şekilde hesaplanır.

ℎ = 𝑁𝑢̅̅̅̅𝐷 𝑘

𝐷 (3.14)

Çizelge 3.1 Hücre paketi içerisinde ki çapraz akıma ait sabit denklem(3.11) [43].

Konfigürasyon 𝑅𝑒_{𝐷,𝑚𝑎𝑘𝑠} C M Kademeli 10~10^2 0.90 0.40 Kademeli 10^2~10^3 Kademeli (𝑆_𝑇/𝑆_𝐿 < 2) 10^3~2x10^5 0.35(𝑆_𝑇/𝑆_𝐿 < 2)1/5 0.60 Kademeli (𝑆_𝑇/𝑆_𝐿 > 2) 10^3~2x10^5 0.40 0.60 Kademeli 2x10^5~2x10^6 0.022 0.84